第四章光学系统的光阑
合集下载
工程光学 第四章_光学系统中的光阑与光束限制
A 2 1
2′
B'
30 26.565o 2 (30) D2 2( l1 l2 )
) U1 ) U 2
U 2 (
U 2 arctg arctg
B
A'
44 23.749o 2 (30 20)
D2′的张角最小，最能限制轴上物点 A的成像光束， 为入瞳，即光孔2为孔径光阑，U2为物方孔径角。 光孔2后面无透镜，孔径光阑与出瞳重合，U2′为像方 孔径角。
★景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值 y D pp z2 D p z z1 y ★对准平面上对应弥散斑的允许值：z z1 z2 ★远景、近景到入瞳的距离：
z1 2a p1 p p1
z2 2a p p2 p2
z
p
2ap 2ap p1 p2 2a z1 2a z 2
，
以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：
★ 正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的 张角，与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。
y y' ' tan tan p D
y' D p p y
以下推导 不考虑正负号
眼睛
u
：人眼的
极限分辨角
p
p
清晰像：弥散斑直径对人眼的张角< 人眼的极限分辨角 1 ~ 2
2、透视失真
—— 投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。
3、景像畸变
二、光学系统的景深
★ 成像空间的景深： 在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。
近景平面 远景 平面
1 2
入瞳中心： 物空间参数 的起算原点
2′
B'
30 26.565o 2 (30) D2 2( l1 l2 )
) U1 ) U 2
U 2 (
U 2 arctg arctg
B
A'
44 23.749o 2 (30 20)
D2′的张角最小，最能限制轴上物点 A的成像光束， 为入瞳，即光孔2为孔径光阑，U2为物方孔径角。 光孔2后面无透镜，孔径光阑与出瞳重合，U2′为像方 孔径角。
★景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值 y D pp z2 D p z z1 y ★对准平面上对应弥散斑的允许值：z z1 z2 ★远景、近景到入瞳的距离：
z1 2a p1 p p1
z2 2a p p2 p2
z
p
2ap 2ap p1 p2 2a z1 2a z 2
，
以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：
★ 正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的 张角，与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。
y y' ' tan tan p D
y' D p p y
以下推导 不考虑正负号
眼睛
u
：人眼的
极限分辨角
p
p
清晰像：弥散斑直径对人眼的张角< 人眼的极限分辨角 1 ~ 2
2、透视失真
—— 投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。
3、景像畸变
二、光学系统的景深
★ 成像空间的景深： 在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。
近景平面 远景 平面
1 2
入瞳中心： 物空间参数 的起算原点
工程光学(光阑)ppt课件
入射窗
出瞳
入瞳
L1
L2
像
物
主光线
视场光阑 出射窗
孔径光阑
以上只讨论了入射光瞳口径为无限小的情况。实际上，光学系统的入射
光瞳总是有一定大小。有时还可能很大。此时系统小光束被限制的情况就变
得复杂一些。下面我们就一般情况作精简品课要件分析。
15
当入射光瞳有一定大小时，由轴外物点发出的充满入瞳的光束，有时会 被某些透镜框所遮拦。如图所示，透镜L1、L2分别位于孔径光阑D的两侧。 由轴外物点B发出的充满入瞳的光束，其中只有一部分（画有阴影线部分） 通过系统成像，而其上下各有一部分分别被透镜L2与L1的镜框所遮拦。因此， 轴外物点成像光束的孔径显然要比轴上物点小。致使像面上从中央到边缘， 光照度逐渐下降，这种现象称为“惭晕”。
B
C A
精品课件
4
（二）入射光瞳、出射光瞳 入射光瞳：孔径光阑经其前面的光组在物空间的像。也就是从透镜左向右方 观察所看到的孔径光阑的像。 出射光瞳：孔径光阑经其后面的光组在像空间成的像。 入射光瞳、出射光瞳和孔径光阑三者是共轭关系。 入射光瞳是光束进入系统的公共入口，出射光瞳是光束射出系统的公共出口。
“光阑”。
在光学系统中，不单用装夹光学零件的金属框的内孔来限制光束，有
时还要专门设置一些带孔的金属薄片来限制光束，这些就是专用光阑。专
用光阑的通光孔一般为圆形，其中心线和光轴重合。多数专用光阑的孔径
是固定的，但也有可变的。孔径可变的光阑称为可变光阑，常用于照相物
镜中。又如人眼的瞳孔也是一个可变光阑，其孔径能随外界光线的强弱
视场光阑——决定物平面或物空间成像范围的光阑。在多数光学系统 如照相机、显微系统中，视场光阑的位置常被设置在系统物镜的像平面上， 这样，视场才能具有清晰的边界。
光学系统中的光阑
照相机的光阑为孔径光阑，照相底片为视场光阑。
5.1.3、 渐晕
由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小，使像平面 边缘比中心暗的现象称为“渐晕”。
线渐晕系数
KD
D D
孔径光阑的位置不同，渐晕不同
面渐晕系数难以处理。
给渐晕的原因： 1. 为了减小元件的口径 2. 为了去处某些像差较大的光线
在某些望远镜中，渐晕系数可以达到0.5
30 F’物
对于轴向光束，物镜口径最大，目镜口径较小 为满足光学特性的要求，各光学元件的通光口径至少 应保证轴向光束通过。
3、轴外光束传播情况
1）孔径光阑确定：轴向光束口径最大的元件-----物镜
a F’物
a
2）、孔径光阑成像位置
a
b a
入瞳
F’物
出瞳
双目望远镜特点：物镜为孔径光阑，物镜垂直放置，可视 为薄透镜，位置确定，孔径光阑在像空间的像（即出瞳） 也是确定的。
S
光学元件的边框也起光阑的作用。
分类：
孔径光阑
视场光阑
5.1.1 孔径光阑
一、孔径光阑的定义与作用 定义：
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑称为孔径光阑。
作用： 决定了轴上点发出平面光束的孔径角，有时也称为有效光阑。
其实光阑决定了进入光学系统的光能大小。
光阑可在外面也可在里面
二、光瞳
光瞳就是孔径光阑所成的像。分为入瞳和出瞳。 孔径光阑在透镜后，经前面光学系统所成的像，称为入瞳。 孔径光阑在透镜前，经后面光学系统所成的像，称为出瞳。
解决的办法：使主光线不变
孔径光阑
y1´=y´
远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处， 入射主光线与光轴平行，出射主光线永远不变，与像平 面的交点位置也不变
5.1.3、 渐晕
由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小，使像平面 边缘比中心暗的现象称为“渐晕”。
线渐晕系数
KD
D D
孔径光阑的位置不同，渐晕不同
面渐晕系数难以处理。
给渐晕的原因： 1. 为了减小元件的口径 2. 为了去处某些像差较大的光线
在某些望远镜中，渐晕系数可以达到0.5
30 F’物
对于轴向光束，物镜口径最大，目镜口径较小 为满足光学特性的要求，各光学元件的通光口径至少 应保证轴向光束通过。
3、轴外光束传播情况
1）孔径光阑确定：轴向光束口径最大的元件-----物镜
a F’物
a
2）、孔径光阑成像位置
a
b a
入瞳
F’物
出瞳
双目望远镜特点：物镜为孔径光阑，物镜垂直放置，可视 为薄透镜，位置确定，孔径光阑在像空间的像（即出瞳） 也是确定的。
S
光学元件的边框也起光阑的作用。
分类：
孔径光阑
视场光阑
5.1.1 孔径光阑
一、孔径光阑的定义与作用 定义：
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑称为孔径光阑。
作用： 决定了轴上点发出平面光束的孔径角，有时也称为有效光阑。
其实光阑决定了进入光学系统的光能大小。
光阑可在外面也可在里面
二、光瞳
光瞳就是孔径光阑所成的像。分为入瞳和出瞳。 孔径光阑在透镜后，经前面光学系统所成的像，称为入瞳。 孔径光阑在透镜前，经后面光学系统所成的像，称为出瞳。
解决的办法：使主光线不变
孔径光阑
y1´=y´
远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处， 入射主光线与光轴平行，出射主光线永远不变，与像平 面的交点位置也不变
几何光学-第四章 光阑
CCD偏左
2019/11/10
CCD偏右
没 有 远 心 镜 头
加 上 远 心 镜 头
20
场镜
• 在某些连续成像的组合系统中，为了使前透镜组的出射 光束都能进入后透镜组，可能要求后透镜组口径加大很 多。
• 为了不使后透镜组口径过大，常在中间的实像平面上加 入一块透镜，使前组的出射光束主光线，经透镜后，通 过后透镜组的中心，从而大大减小后组透镜的口径。
• 在大多数的计量光学仪器中，其孔径光阑（或出瞳） 常安置在显微镜物镜或投影物镜像方焦平面上以形成 物方远心光路以提高观测精度。
• 在光学仪器中常采用另一种光路→像方远心光路 • 它是孔径光阑（或入瞳）安置在整个光组的物方焦平
面上形成的
2019/11/10
15
这种光学系统因为出瞳位于像方无限远处，平行于光 轴的像方主光线在无限远处会聚于出瞳中心，因此称 为像方远心光路。
2019/11/10
21
后组
前组
B＇
B ''
A
B
A＇ A ''
(a)
前组
场镜
后组
A ''
A
B
B ''
这种和像平面重合，或很靠近像平面的透镜称为场镜。
2019/11/10
22
第二节 视场光阑
• 光学系统的成像范围是有限的,能清晰成像的 范围在光学系统中称为视场。 • 照相机中底片框限制了被成像范围的大小 • 工具显微镜中分划板的直径决定成像物体的 大小
物平面 入窗
• 入射窗和物平面相重合 出瞳 • 或者把视场光阑设置在
像平面上
• 视场具有清晰的界限
光阑和光束限制
光学系统的渐晕 B1点是轴外点能充满 入瞳参与成像的最远点， 在R＝AB1的圆内，是能 使充满入瞳的光束参与成 像的区域；以AB2为半径 的圆周上只能以半孔径成 像；以AB3为半径的圆周 及其以外的区域的轴外点光束不能进入光学系统成像。 可见，从轴外B点开始到B3充满入瞳的光线被逐渐拦截， 导致在像面上相应的圆环区域逐渐变暗，这种现象叫渐晕。 出现渐晕区域叫渐晕区。
l1 25mm
y' l1' 20 0.8 y l1 25
15 y 18 .75 mm 0. 8
• 再求光阑3被前面光组所成的像。 • 必须注意：为了求得光阑3在物空间的像， 要使它对透镜1、2成像。
• 先求光阑3被透镜2所成的像，再求 该像被透镜1在物空间所成的像。
• 求法如上，因为l 2’ = 30mm， • y2’ = D3 / 2 = 10mm，利用高斯公式 得
• （这一限制轴上点光束孔径角的 光阑）——孔径光阑被其前面的 光组在光学系统物空间所成的像 称为入射光瞳，简称入瞳。
入射光瞳的大小完全决定了进入系统参与成像的最 大孔径角，是物平面中心进入系统光束的公共入口。轴 上物点发出的立体光束，只要能通过入射光瞳就一定能 到达物面。 以上是对物方空间的讨论，对像方空间可得到相同 的结果。 出射光瞳——孔径光阑被后面的光组成的像称为出 射光瞳。
Pf '2 P 1 f '2 z ' PF
z ' P2 F 1 2 f ' z ' PF
2 z ' P 2 Ff '2 1 2 4 f ' z '2 P2 F 2
由以上公式讨论几个问题： 1.要使对准平面至无限远的整个空间在景像平面上都有 清晰的“像”，对准平面应该在何处？ 2 f ' z ' P2 F 此时，1 2 P , 有f '2 z ' PF
几何光学第章 光阑
2019/11/14
21
后组
前组
B＇
B ''
A
B
A＇ A ''
(a)
前组
场镜
后组
A ''
A
B
B ''
这种和像平面重合，或很靠近像平面的透镜称为场镜。
2019/11/14
22
第二节 视场光阑
• 光学系统的成像范围是有限的,能清晰成像的 范围在光学系统中称为视场。 • 照相机中底片框限制了被成像范围的大小 • 工具显微镜中分划板的直径决定成像物体的 大小
• 物空间各空间点的成像，相当于以入射光 瞳中心为投影中心，以主光线为投影线， 将各点投影到对准平面上后，再成像到景 象平面上。
第四章 光阑和光能计算
2019/11/14
1
第一节 孔径光阑
孔径光阑：它是限制轴上物点成像光束
立体角（锥角）的光阑。
也就是起到决定能通过光学系统的光能（即像
平面照度）作用的光阑。
以普通照相机来说明光阑
2019/11/14
可变光阑
底片
2
出射光瞳
P1′
L1
L2
-U
-y
P'
U— 物方孔径角
P2′
U′— 像方孔径角
2019/11/14
49
• b，光源为面光源
2019/11/14
50
• 结论：
• 差别：电光源造成的光照度和发光强度成正 比，而面光源造成的光照度和光亮度及光源 面积成正比
• 相同：都与距离的平方成反比，且都与表面 的倾斜度有关
2019/11/14
51
工程光学-第4章 光学系统中的光束限制 53
第四章 光学系统中的光束限制
对准平面外物方空间点成像 相当于以入射光瞳中心为投影中心 以主光线为投影线使空间点投影在对准平面上，再成像在景像平面上 相机、望远镜、投影仪 现实中理想的点是不存在的 当弥散斑足够小 小于系统要求的最小分辨率 或小到可被系统认为是点时 该弥散斑便可被认为是对准平面外物点在景像平面所成的点像 因此，在景像平面上可得到对准平面外空间物点的清晰像 而能在景像平面成清晰像的物空间深度称为系统的景深
第四章 光学系统中的光束限制
4、孔径光阑设置原则 （1）对于目视仪器，人眼瞳孔起限制光束作用，故光学系统的出瞳和人眼 瞳孔在位置上必须重合 （2）入瞳和光学元件重合时，元件口径最小 （3）为提高测量精度，在测量物体大小的显微镜中，需要把孔径光阑置于 光学系统的像方焦平面上，以消除由于物平面位置不准确所引起的测量 误差 （4）在某些用于测量物体距离的大地测量仪器中，常需要把孔径光阑置于 光学系统的物方焦平面上，以消除由于调焦不准而造成的误差
D
′ + ( − f目 ′ )]tg( − 4.25D ) hz目 = hz物 − dtgU ′ = 0 − [ f物 = 9.36mm；
第四章 光学系统中的光束限制
（3）光阑在物镜右侧10 mm 为追迹主光线 可先根据高斯公式 求出人瞳住置在物镜右侧11mm 再按上面方法计算
1 1 1 1 1 1 ' − = → − = → l z ≈ 11mm ' ' lz l f ′ lz 10 −108
第四章 光学系统中的光束限制
第三节 望远镜系统中成像光束的选择
一、双目望远镜的组成
1、组成
第四章 光学系统中的光束限制
2、望远镜系统参数 视觉放大率： Γ = 6× 出瞳直径： 目镜焦距： 视场角：
光学系统中的光阑
能量效率评价
能量传输效率
光阑应能有效地将光源的能量传输到 所需的光束中，同时避免不必要的散 射和反射。
能量利用率
热效应
光阑在传输大量能量的过程中可能会 产生热效应，影响光学系统的性能和 稳定性。
在保证光束质量的前提下，光阑应尽 可能提高能量的利用率，减少浪费。
成像质量评价
分辨率和对比度
光阑对成像的分辨率和对比度有 直接影响，是评价成像质量的重
03
光阑在光学系统中的应用
望远镜中的光阑
望远镜中的光阑主要用于控制进 入望远镜的光束的大小，以及阻
挡杂散光和防止过度曝光。
光阑可以调节望远镜的视场，使 得观测目标在望远镜的视场中清
晰可见。
光阑还可以减少望远镜的像差， 提高成像质量。
显微镜中的光阑
在显微镜中，光阑用 于控制照明光束的大 小，以适应不同的观 察需求。
光阑的成像改善作用
总结词
光阑可以改善光学系统的成像质量，提 高图像的清晰度和对比度。
VS
详细描述
在复杂的光学系统中，光阑可以起到重要 的成像改善作用。通过合理设计和放置光 阑，可以消除光学系统的像差，减少杂散 光和眩光的影响，提高图像的清晰度和对 比度。此外，光阑还可以用于调整光学系 统的焦距和景深，优化成像效果。
描述
不同类型的光阑具有不同的特性和用途，适用于不同的光学系统。选择合适的光 阑类型和规格对于保证光学系统的性能和稳定性至关重要。
光阑的作用
功能
光阑在光学系统中起着重要的作用，它可以控制光束的形状 、大小和方向，从而影响成像质量、光束质量和系统性能。 具体来说，光阑的作用包括限制光束的孔径、消除杂散光、 提高成像对比度和减小畸变等。
描述
光学系统的光阑
何谓光阑（diaphragm or stop)？
即是其中心与光轴重合且垂直与光轴放置的 通光孔屏。
其可能是带孔的金属片；也可能是透镜边框。 其按要求在专门位置放置。
光阑的种类
⑴ 孔径光阑 ( aperture diaphragm ) ⑵ 视场光阑 ( visual field diaphragm)
4、孔径光阑与入射光瞳、出射光瞳的关系
孔径光阑的确定：
Q1 L 光阑Q
A
·
-U
· F
F′
·
入瞳（出瞳） 孔径光阑
5、如何确定孔径光阑？
① 先求出系统中所有通光孔在物（或像）空间 的共轭像的大小和位置； ② 分别作出从轴上物（或像）点到这些孔像边 缘的连线； ③ 判别其中张角最小者，即最能限制轴上物点 （或像点）光束大小者就是入瞳（或出瞳）， 而与其相共轭的通光孔（实物）即为孔径光 阑。
为消除或避免渐晕，应尽量使入窗与物平面 重合；出窗尽量与像平面重合。
三、渐晕现象
三、渐晕系数
作业：
5-1， 5-2, 5-4。
薄透镜组的基点位置和焦距
F
F1
H
H'
F2'
F1' F'
F2
P2
2、孔径光阑与入射光瞳 （entrance pupil)
孔径光阑被其前面的光学零件在物 空间所成的像，称为入射光瞳（简称入 瞳），它决定了该光学系统的物方孔径 角U，这是因为在物空间的所有光孔中， 入瞳对轴上物点的张角为最小。
3、孔径光阑与出射光瞳 （emergent pupil)
孔径光阑被其后面的光学零件在像 空间所成的像，称为出射光瞳（简称出 瞳），它决定了该光学系统的像方孔径 角U'，这是因为在像空间的所有光孔中， 出瞳对轴上像点的张角为最小。
即是其中心与光轴重合且垂直与光轴放置的 通光孔屏。
其可能是带孔的金属片；也可能是透镜边框。 其按要求在专门位置放置。
光阑的种类
⑴ 孔径光阑 ( aperture diaphragm ) ⑵ 视场光阑 ( visual field diaphragm)
4、孔径光阑与入射光瞳、出射光瞳的关系
孔径光阑的确定：
Q1 L 光阑Q
A
·
-U
· F
F′
·
入瞳（出瞳） 孔径光阑
5、如何确定孔径光阑？
① 先求出系统中所有通光孔在物（或像）空间 的共轭像的大小和位置； ② 分别作出从轴上物（或像）点到这些孔像边 缘的连线； ③ 判别其中张角最小者，即最能限制轴上物点 （或像点）光束大小者就是入瞳（或出瞳）， 而与其相共轭的通光孔（实物）即为孔径光 阑。
为消除或避免渐晕，应尽量使入窗与物平面 重合；出窗尽量与像平面重合。
三、渐晕现象
三、渐晕系数
作业：
5-1， 5-2, 5-4。
薄透镜组的基点位置和焦距
F
F1
H
H'
F2'
F1' F'
F2
P2
2、孔径光阑与入射光瞳 （entrance pupil)
孔径光阑被其前面的光学零件在物 空间所成的像，称为入射光瞳（简称入 瞳），它决定了该光学系统的物方孔径 角U，这是因为在物空间的所有光孔中， 入瞳对轴上物点的张角为最小。
3、孔径光阑与出射光瞳 （emergent pupil)
孔径光阑被其后面的光学零件在像 空间所成的像，称为出射光瞳（简称出 瞳），它决定了该光学系统的像方孔径 角U'，这是因为在像空间的所有光孔中， 出瞳对轴上像点的张角为最小。
第四章 光学系统中的光阑和光束限制
渐晕系数：斜光束在子午面内光束 宽度与轴上点光束的口径之比：
K D D
照相光学系统小结：
可变光阑为系统的孔径光阑，为保证轴外光束的像质 孔径光阑设在照相物镜的某个空气间隔中。
在有渐晕的情形下，轴外点光束的宽度不仅由孔径 光阑的口径决定，而且与渐晕光阑的口径有关。
在照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。 孔径光阑的形状一般为圆形，视场光阑的形状为圆形
由公1式 1 1 l1' l1 f '
f'54mm
场镜焦距为54mm.
§4.5 光学系统的景深
一、光学系统的空间像：
1.空间中的物点成像：(图4-16) 把空间中的物点成像在一个像平面上，称为平面 上的空间像。如望远镜、照相物镜.
物方空间点在平面上成像：以入射光瞳中心点为透视中心， 以主光线为投影线，使空间点投影在对准平面上，则投影 点在景像平面上的共轭点便是空间的平面像。
或矩形。
首页
§4.3 望远镜系统中成像光束的选择
一、望远镜系统的基本结构：（图4-7） 二、望远镜系统中的光束限制：
1. 光瞳衔接原则：（图4-8） 2. 前面系统的出瞳和后面系统的入瞳重合 2. 孔径光阑在不同位置处的计算
（1）物镜左侧10mm； （2）物镜上； （3）物镜右侧10mm;
图4-12 双目望远镜系统
(2) 物镜上； (3)物镜右侧10mm.
出瞳直径： D'5mm
视场角： 41'5
入瞳直径： D D ' 6 5 3 m 0m
若孔径光阑在（2）位置上，分划板上一次实像像高：
y'f物 'tan8mm
分划板框限制了系统视场。因此分划板框为视场光阑。
第四章 光学系统中的光阑和光束限制
光阑的定义
光阑是限制光束通过的装置，通常由透镜、反射镜或光栅等光学元件构成。 光阑的主要作用是控制光束的形状、大小、方向和能量分布等特性。 光阑的位置和形状决定了光学系统的成像质量和光束的输出特性。 光阑可以分为入射光阑和出射光阑，分别控制光束的输入和输出。
光阑的分类
孔阑：通过孔径光阑使光束通过，限制光束的尺寸和形状 反射式光阑：利用反射面光阑限制光束的形状和方向 干涉式光阑：利用干涉原理对光束进行调制和限制 衍射式光阑：利用衍射原理对光束进行调制和限制
它们在人像摄影、 风景摄影、微距摄 影等领域都有广泛 的应用，对于摄影 师来说是必备的拍 摄工具。
光阑和光束限制器的优缺点
光阑的优缺点
优点：能够有效地控制光束的形状和大小，提高成像质量 优点：能够减少杂散光和眩光，提高系统的信噪比 缺点：可能会对光束的能量分布产生影响，导致光束质量下降 缺点：可能会增加系统的复杂性和成本
随着光学技术和材料科学的不断发展，光阑和光束限制器的材料、结构、 性能等方面也在不断优化和改进。
目前，光阑和光束限制器的研究重点在于提高其精度、稳定性、可靠性等 方面，以满足更高精度的光学系统需求。
未来，光阑和光束限制器的研究将更加注重智能化、微型化、多功能化等 方面的发展，以适应不断变化的光学系统需求。
YOUR LOGO
保护光学元件免 受光束过强的损 伤
在激光加工等领 域中起到关键作 用
光阑和光束限制器的应用场景
光学仪器中的光阑和光束限制器
激光技术中的光阑和光束限制器
激光雷达：光阑用于控制激光束的发射角度，限制器的存在可以防止光束散射和干扰。
激光通信：通过光阑精确控制激光束的方向和大小，确保信号的稳定传输。
激光切割：光束限制器能够减小激光功率，从而在切割材料时更加精确和安全。
成像原理
第四章光学系统中的光阑和光束限制1.光阑定义、作用、分类。
答：这些限制成像光束和成像范围的薄金属片称为光阑；分两类：孔径光阑，视场光阑2.孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入射窗、出射窗定义。
答：限制轴上物点孔径角u大小的金属圆片称为孔径光阑；孔径光阑经孔径光阑前面光学系统所成的像称为入射光瞳，简称入瞳；孔径光阑经孔径光阑后面光学系统所成的像称为出射光瞳，简称出瞳；限定成像范围的光阑称为视场光阑；视场光阑经其前面的光学系统所成的像称为入射窗；视场光阑经其后面的光学系统所成的像称为出射窗3.普通照相系统的结构组成。
答：照相镜头，可变光阑，感光底片4.渐晕概念。
P625.望远系统的组成。
光瞳衔接原则。
出瞳距。
答：望远物镜和目镜是望远系统的基本组成部分；光瞳衔接原则：前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合，否则会产生光束切割，即前面系统的成像光束中有一部分将被后面的系统拦截，不能参与成像。
满足光瞳转接的原则的望远系统其出瞳应该在目镜后，而且应离目镜最后一面有段距离，这段距离称为出瞳距。
6.显微系统组成。
远心光路结构及作用。
场镜作用。
P67答：由物镜和目镜组成；7.景深概念及影响因素。
答：在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度称为成像空间的景深，简称景深第五章光度学和色度学基础1.各辐射量、光学量含义。
答：辐射能，辐射通量，辐照度，辐强度，辐亮度；光通量，光出射度，光照度，发光强度，光亮度2.光谱光效率函数定义。
答：人对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数，称之为光谱光效率函数3.物体照度与光传播距离的关系。
P784.元光管特点。
答：光在元光管内传播，光束亮度不变。
5.余弦辐射体定义及特点。
答：发光强度空间分布可用式表示的发光表面为余弦辐射体。
余弦辐射体在各方向的亮度相同。
6.像面照度影响因素。
P81答：7．颜色分类及三个表观特征。
答：非彩色和彩色；三个表观特征即明度，色调和饱和度。
8.三原色、三刺激值概念。
光学系统的光阑与光束限制（第四章）
光学系统的光阑与光束限制（第四章）第四章光学系统的光阑与光束限制一、填空题I级I级1空1、在光学系统中，对光束起限制作用的光学元件通称为[1]。
光阑2、限制轴上物点成像光束大小的光阑称为[1]。
孔径光阑3、孔径光阑经过前面的光学系统在物空间所成的像称为[1]。
入射光瞳4、孔径光阑经过后面的光学系统在像空间所成的像称为[1]。
出射光瞳5、一般安置在物平面或像平面上，以限制成像范围的光阑称为[1]。
视场光阑6、视场光阑经其前面的光学系统所成的像称为[1]。
入射窗7、视场光阑经过后面的光学系统所成的像称为[1]。
出射窗8、轴外点发出的充满入瞳的光束受到透镜通光口径的限制，而部分被遮拦的现象称为[1]。
渐晕9、孔径光阑位于光学系统像方焦面处，光学系统的物方主光线平行于光轴，主光线汇聚中心位于物方无限远处，这样的光路称为[1]。
物方远心光路10、孔径光阑位于光学系统物方焦面处，光学系统的像方主光线平行于光轴，主光线汇聚中心位于像方无限远处，这样的光路称为[1]。
像方远心光路11、在长光路系统中，往往利用[1]达到前后系统的光瞳衔接，以减小光学零件的口径。
场镜12、在像平面上所获得的成清晰像的物空间深度称为成像空间的[1]。
景深13、像面边缘比中心暗的现象称为[1]。
渐晕14、为了减少测量误差，测量仪器一般采用[1]光路。
远心15、渐晕大小用渐晕系数衡量，线渐晕系数定义为轴外点成像光束与轴上点成像光束在[1]上线度之比。
入瞳16、与入射窗共轭的物是[1]。
视场光阑17、与入瞳共轭的物是[1]。
孔径光阑I 级2空1、在放大镜和人眼组成的光学系统中，放大镜的镜框是（），人眼是（）。
视场光阑，孔径光阑2、一个10倍的放大镜，通光直径为20mm ，人眼离透镜15mm ，眼瞳直径为3mm ，当渐晕系数为0.5时，人眼观察到的线视场为（）mm ；无渐晕时，线视场为（）mm 。
33.33，28.333、开普勒望远系统加场镜后，视放大率不变，目镜通光口径（），出瞳离目镜距离（）。
第四节光学系统的光阑
光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的，如 果物体的位置发生变化，原来限制光束的孔阑就会失去 限制光束的作用。
三、视场光阑、入射窗、出射窗
1．定义：
把孔阑以外的所有光孔，通过其前面的光学零件成像， 则对入瞳中心张角最小像为入窗。把孔阑以外的所有光 孔，通过其后面的光学零件成像，则对出瞳中心张角最 小像为出窗。
s' 3厘米
s' 1.5
s
所以，出射光瞳A”在A的左方l厘米处，其孔径为
D3' D3 6厘米 (2)再求物SP经LI、A、L2后成象的位置．由于光阑A对象的位 置、大小和形状没有影响，所以这里只有两次成象．
经L1成像 已知s＝－10：f ’＝10, 根据成象公式解得： s'
入窗限制物空间的成像范围。
出窗限制物像方视场。
视场光阑是对一定位置的孔阑而言的，当孔阑位置改变时， 原来的视场光阑可能被另外的光孔代替。
2．线视场、视场角、视场可以用长度来量度，称为线视场
物方线视场为物高的两倍 2 y 象方线视场为象高的两倍 2y'
其关系为
y' y
在物空间：入窗边缘对入瞳中心所张的角称物方视场角。 在象空间：出窗边缘对出瞳中心所张的角称象方视场角
解 根据题意装置如图， 图中各量，除物的高 度被夸大外，均按比 例绘出．
已知：透镜L1的f1’＝10厘 米，直径D1＝5厘米，透 镜L2的f2’＝6厘米，直径 D2＝5厘米：圆孔A的D3 ＝5厘米，L1、L2 与圆孔 相距均为2厘米
(1)为确定对轴上物点S的孔阑，首先应将系统中所有的孔都转 换到系统的物方空间去．L1的孔径本来就属于系统的物方空间， 不必再变换．
入入 物 窗瞳 平
面
三、视场光阑、入射窗、出射窗
1．定义：
把孔阑以外的所有光孔，通过其前面的光学零件成像， 则对入瞳中心张角最小像为入窗。把孔阑以外的所有光 孔，通过其后面的光学零件成像，则对出瞳中心张角最 小像为出窗。
s' 3厘米
s' 1.5
s
所以，出射光瞳A”在A的左方l厘米处，其孔径为
D3' D3 6厘米 (2)再求物SP经LI、A、L2后成象的位置．由于光阑A对象的位 置、大小和形状没有影响，所以这里只有两次成象．
经L1成像 已知s＝－10：f ’＝10, 根据成象公式解得： s'
入窗限制物空间的成像范围。
出窗限制物像方视场。
视场光阑是对一定位置的孔阑而言的，当孔阑位置改变时， 原来的视场光阑可能被另外的光孔代替。
2．线视场、视场角、视场可以用长度来量度，称为线视场
物方线视场为物高的两倍 2 y 象方线视场为象高的两倍 2y'
其关系为
y' y
在物空间：入窗边缘对入瞳中心所张的角称物方视场角。 在象空间：出窗边缘对出瞳中心所张的角称象方视场角
解 根据题意装置如图， 图中各量，除物的高 度被夸大外，均按比 例绘出．
已知：透镜L1的f1’＝10厘 米，直径D1＝5厘米，透 镜L2的f2’＝6厘米，直径 D2＝5厘米：圆孔A的D3 ＝5厘米，L1、L2 与圆孔 相距均为2厘米
(1)为确定对轴上物点S的孔阑，首先应将系统中所有的孔都转 换到系统的物方空间去．L1的孔径本来就属于系统的物方空间， 不必再变换．
入入 物 窗瞳 平
面
第四章孔径光阑和视场光阑
第四章 孔径光阑和视场光阑4.1 引 言任何一个光学系统，它所能接收的能量是有限度的，也就是说，任何一个光学系统都有有限大小的通光孔径通光孔径通光孔径。
构成光学系统的每个单元 (如透镜) 都有一定的尺寸，限制光能量的孔径有的就是某—个或某几个透镜的镜框，有的是特意加到光学系统中的光阑。
这种限制进入光学系统的光能量多少的通光口径叫做孔径光阑孔径光阑孔径光阑。
在照相机中常采用光圈这个名称，根据一天的时间(早、午、晚)和天气的晴朗程度来选择不同的光圈，其目的是控制进入照相物镜中的能量，使曝光量处在照相底片的线性区域内。
照相机中的光圈就是照相物镜的F 数。
它的表达式为D f /，式中f 为光学系统的有效焦距，D 为通光口径。
很显然，该式表示的是相对孔径的倒数，对于普通的照相物镜，焦距f 通常是固定的，那么改变光圈实际上就是改变光阑 (通光孔径) 的大小。
除了孔径光阑之外，在光学系统中还有一种光阑，它用来限制所成的像的范围，当然也就限制了能成像的目标的大小了。
像的范围与光学系统的视场角是密切相关的。
我们在前面讨论的轴外主光线与光轴的夹角就是系统的视场角。
对于无限远目标所成的像的大小为 (见拉格朗日不变量)：'''f u h p −= (4.1.1) 由上式可知，像的大小'h 正比于系统的视场角和焦距。
比如说照相机，照相底片的尺寸为36 mm×24 mm ，对角线之半为21.6 mm 。
标准镜头的焦距为50 mm ，由此求得半视场为：''/'21.6/500.43223.36p u h f =−===°全视场角为46.72°，由此可见，属于中等视场的照相物镜。
如果选用的是焦距为28 mm 的广角物镜，则半视场'0.7714337.65p u ==° ，全视场角75.30°75300，由此可见，视场相当大，视场边缘的畸变势不可免。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
∆ ' = ∆ '1 + ∆ ' 2 = 2 p ' z ' D '
开复课件网
z'2
第五节远心光路
• 一、物方远心光路 • 二、像方远心光路
开复课件网
物方远心光路
• 孔径光阑设置在光学系统的像方焦点处 其入瞳在物方无穷远， 时，其入瞳在物方无穷远，这种光路称 为物方远心光路， 为物方远心光路，在用于测量物体大小 的显微镜中经常被采用， 的显微镜中经常被采用，用以提高测量 精度。 精度。
开复课件网
非像方远心光路测量系统
孔径光阑
B' 1 A F
主光 线
B' y'z A'
y'z1 F' A'1
B
-x
-f
开复课件网
像方远心光路测量系统
孔径光阑
B'1 A(A1) F B(B 1)
光线 主 -x
B' y'z
A'1 -f
A'
开复课件网
开复课件网
举例
பைடு நூலகம்D1 D2
A
F
F'
题解图
开复课件网
入瞳和出瞳
• 孔径光阑在物方空间的共轭“像”称为入 孔径光阑在物方空间的共轭“ 射光瞳， 射光瞳，简称入瞳 • 孔径光阑在像方空间的共轭像称为出射光 瞳，简称出瞳 • 孔径光阑、入瞳、出瞳三者互为共轭关系 孔径光阑、入瞳、 • 入瞳在整个系统的物方对光束进行限制， 入瞳在整个系统的物方对光束进行限制， 出瞳在整个系统的像方对光束进行限制
开复课件网
其中
lZ
为入瞳的位置
第三节 渐晕光阑
• 当孔径光阑和视场光阑确定以后，其余 当孔径光阑和视场光阑确定以后， 限制轴外光束的光阑对轴外点将产生渐 晕作用，称为渐晕光阑。 晕作用，称为渐晕光阑。 • 渐晕光阑的作用 1。 减小光学系统的横向尺寸 。 2。 改善轴外点的成向质量 。
开复课件网
入瞳和出瞳
C .R .
M .R
物
.
Q
像
L1 A .S . E x .P E n .P
L2
Q'
开复课件网
例题
• 两个直径相等的正薄透镜，已知透镜的焦 两个直径相等的正薄透镜， 物距为-100mm 距 f1 ' = 20mm， f 2 ' = 10mm ，物距为 间距60mm，直径 即 l1 = −100mm ，间距 ， D1=D2=6mm，求此系统的孔径光阑。 ，求此系统的孔径光阑。
孔径光阑 视场光阑
y'
ω
F
开复课件网
视场光阑设在像面
孔 径 光 阑 视 场 光 阑
y' ω F
物在有限远 y =
y'
β
物在无限远
开复课件网
y' tgω = f'
视场光阑设在物面
视 场 光 阑 孔 径 光 阑
B y A
D视 y= 2
y tgω = l − lZ
像方远心光路
• 孔径光阑置于光学系统的物方焦面上时 ， 孔径光阑置于光学系统的物方焦面上时， 其出瞳位于像方无穷远， 其出瞳位于像方无穷远 ， 这种光路称为 像方远心光路， 像方远心光路 ， 在用于测量物体距离的 望远系统中经常被采用， 望远系统中经常被采用 ， 也同样可以提 高测量精度。 高测量精度。
开复课件网
焦深
一个物平面能够获得清晰像的空间深度称为焦深
入瞳 出瞳
z'1
A ∆'1 ∆ P'
D'
D
A' ∆'2
开复课件网
z'2
焦深的计算
入瞳 出瞳
z'1
A ∆'1 ∆ P'
D'
D
A' ∆'2
D' p' p' = = z ' ∆1 ' ∆ 2 '
孔径光阑
孔 径 光 阑
h
A
-U U
A=
开复课件网
系统孔径的确定----系统孔径的确定 孔径光阑的识别
• 求出所有的通光元件在系统物方的共轭 “像”。。 • 对给定的轴上物点在物空间确定各器件允许通 过光束的最大孔径角（当物在无限远时， 过光束的最大孔径角（ 当物在无限远时 ，确定 所允许通过光束的最大高度） 所允许通过光束的最大高度）。 • 比较找出其中孔径角为最小（ 物在无限远时为 比较找出其中孔径角为最小（ 孔径高度最小）所对应的器件，该光学元件就 孔径高度最小） 所对应的器件， 是系统的孔径光阑。 是系统的孔径光阑。
第一节 孔径光阑
• 定义 ： 用于限制成像光束大小的光阑称 定义： 孔径光阑, 一般用轴上物点确定。 孔径光阑 一般用轴上物点确定。 • 描述成像光束大小的参量称为孔径 ， 近 描述成像光束大小的参量称为孔径， 距离物体成像的孔径用孔径角U表示 表示， 距离物体成像的孔径用孔径角 表示，无 限远物体成像的孔径用孔径高度h表示 表示； 限远物体成像的孔径用孔径高度 表示；
第四章 光学系统中的光束限制
一、光阑的作用 孔径光阑、入瞳、 二、孔径光阑、入瞳、出瞳 视场光阑、入窗、 三、视场光阑、入窗、出窗 四、渐晕光阑 景深、 五、景深、焦深 六、远心光路
开复课件网
光阑的作用
光学系统中， 光学系统中 ， 对光束起限制作用的光学元 件称为光阑。如透镜的边框、光孔等。 件称为光阑 。 如透镜的边框 、 光孔等 。 光 阑按限制光束的目的，分为： 阑按限制光束的目的，分为： 1． 孔径光阑 图 ． 2． 视场光阑 ． 3． 渐晕光阑 ． 4． 消杂光光阑 ．
开复课件网
孔径光阑
物
L
像
A .S .
开复课件网
光束限制的共轭原理
• 一条光线如果被某一光学器件限制 则该 一条光线如果被某一光学器件限制,则该 光线的共轭光线也一定会受到该器件的 共轭像所限制
I II I'
A
A'
开复课件网
开复课件网
对准平面
景像平面
z1
1
z'2
B
入射光瞳
出射光瞳
B" 2
P '1 P A P B z2
2 1
2a
A' P' P '2 B" 1 z'1
P2
∆
1
∆
2
−p2 −p
p '1 p' p '2
−p
1
z1 p1 − p = D p1
Dp p1 = D − z1
z 2 p − p2 = D p2
开复课件网
P B2 z2 P2
∆1
−p 2
p'1 p' p'2
景深
• 景深：在平面上成清晰像的空间深度称 ： 为景深 • 对准平面：像面所对应的共轭面 ： • 远景深：对准平面以远能成清晰像的物 ： 空间深度 • 近景深：对准平面以近能成清晰像的物 对准平面以近能成清晰像的物 空间深度 • 景深为近景深与远景深之和。 。
开复课件网
开复课件网
第二节 视场光阑
• 定义：限制成像范围大小的光阑称为视 定义： 场光阑 • 描述成像范围大小的参量称为视场，近 描述成像范围大小的参量称为视场， 距离物体成像的视场一般用物体的高度y 距离物体成像的视场一般用物体的高度y 表示，无限远物体成像的视场用视场角ω 表示，无限远物体成像的视场用视场角 表示。 表示。 • 主光线：通过入 主光线： 瞳中心的光线
开复课件网
减小光学系统的横向尺寸
物镜 视场光阑 目镜
-ω
f1 '
开复课件网
-f 2
第五节 景深和焦深
• 景深 • 焦深 • 结束
开复课件网
景深
对准平面 景像平面
z'2
B1
z1
入射光瞳
出射光瞳
B" 2
P'1 P1 A 2a A' P' P'2 B" 1 z'1 ∆2 −p −p 1
Dp p2 = D + z2
z1 = z 2 =
z'
开复课件网
β
景深的计算
p1 = Dp β D β − z'
p2 =
Dp β D β + z'
z' p D β + z'
z' p ∆1 = p1 − p = D β − z'
∆ 2 = p − p2 =
∆ = ∆1 + ∆ 2 =
2 Dp β z ' D 2 β 2 − z'2
开复课件网
与景深有关的因素
∆ = ∆1 + ∆ 2 =
• • • •
2 Dp β z ' D 2 β 2 − z'2
景深随入瞳的增大而减小 景深随对准平面距离的增大而增大 景深随放大率（或焦距） 景深随放大率（或焦距）的增大而减小 景深随像面分辨率的增加而减小
开复课件网
非物方远心光路的测量误差
孔径光阑
B'1 B' y' y' 1 A'
A1
A F'
B1
B
主光线
f'
开复课件网
x'
物方远心光路消除测量误差
孔径光阑
B' (B'1 ) A1 A F' B1 B